JP5410323B2 - Optical vegetation index sensor - Google Patents
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Description
本発明は、植生の単位地表面積当たりの植物の葉の量（葉面積指数）または光合成有効放射吸収率を光学的にかつ非破壊的に測定する光学的植生指数センサに関する。 The present invention relates to an optical vegetation index sensor that optically and non-destructively measures the amount of plant leaves per unit surface area of vegetation (leaf area index) or photosynthetic effective radiation absorption rate.
葉面積指数（ＬＡＩ；Leaf Area Index）とは、単位水平面積当りのその上部の植生のすべての葉の片側の面積の合計を示す指標値のことである。例えば１ｍ２の地面上に存在する葉の総面積が２ｍ２であれば、ＬＡＩ=２であり、つまり葉を地面に隙間なく並べたとき２枚重なるということを意味する。通常の森林植生の葉面積指数は３〜７程度である。また、光合成有効放射吸収率（ｆＡＰＡＲ）は、植生の光合成器官によって吸収された光合成有効放射（ＰＡＲ；Photosynthetic Active Radiation）の吸収前後の比率を示す指標値のことである。例えば、林冠上のＰＡＲが２０００μｍｏｌ／ｍ2／ｓで、同時刻の林床のＰＡＲが５０μｍｏｌ／ｍ2／ｓであれば、ｆＡＰＡＲは０．９７５となる。 The leaf area index (LAI) is an index value indicating the sum of areas on one side of all leaves of the vegetation on the upper vegetation per unit horizontal area. For example, if the total area of the leaves existing on the ground of 1 m 2 is 2 m 2 , LAI = 2, which means that when the leaves are arranged on the ground with no gap, two sheets overlap. Normal leaf vegetation leaf area index is about 3-7. The photosynthetic effective radiation absorption rate (fAPAR) is an index value indicating the ratio before and after absorption of photosynthetic active radiation (PAR) absorbed by the photosynthetic organ of vegetation. For example, in PAR is 2000μmol / m 2 / s on canopy, PAR of forest floor at the same time is as long as 50μmol / m 2 / s, fAPAR becomes 0.975.
葉面積指数は、植生機能を評価するための重要なパラメータであり、光合成有効放射の吸収、光合成・蒸散量や、植生の炭素吸収能力を示す重要な指標として、農業、森林科学や生態学・地球環境科学などで広く用いられている。しかし、その光学的葉面積指数センサの開発は遅れており、また、植生による光合成有効放射吸収率を外部との比較測定無しに測定できる光合成有効放射吸収率センサは今まで開発されていない。 Leaf area index is an important parameter for evaluating vegetation function, and is an important indicator of absorption of photosynthetic effective radiation, photosynthesis and transpiration, and vegetation's carbon absorption capacity. Widely used in global environmental sciences. However, the development of the optical leaf area index sensor has been delayed, and no photosynthetic effective radiation absorptivity sensor that can measure the photosynthetic effective radiation absorptance due to vegetation without comparison with the outside has been developed so far.
ところで、葉面積指数は伐採を行うことによって直接測定することができるものである。刈り取り法あるいはサンプリング法は、単位地表面積上に存在する全ての葉を刈り取り、その総面積を求めることでこれを得る。この方法は原理的に正確になるが、植生を伐採し、結果として測定対象の植生を完全に破壊することになる。人的労力の負担が大きく、実際に実施するのは難しい。 By the way, the leaf area index can be directly measured by logging. The mowing method or sampling method obtains this by cutting all leaves existing on the unit ground surface area and obtaining the total area. This method is accurate in principle, but cuts the vegetation, resulting in complete destruction of the vegetation to be measured. The burden of human labor is heavy, and it is difficult to actually implement it.
一方、葉面積指数の測定のために光学的性質を利用する方法も提案されている。従来から植生に入射した太陽放射は放射量が次第に減衰することが知られている。しかし、赤色放射（Ｒ：波長域６５０〜７００ｎｍ）は葉群を通る間に減衰するが、短波長側の近赤外放射（ＦＲ：波長域７００〜８００ｎｍ）はこれを通ってもあまり減衰しない。このような分光吸収特性が起きる原因を考えると、光合成に有効な光合成有効放射（ＰＡＲ）と呼ばれる４００ｎｍから７００ｎｍの波長領域の放射が葉群を通過するとき、葉はほぼ黒体として機能し、総面積で放射が吸収されることが主因であると考えられる。そこで、この葉の分光吸収特性を利用して葉面積指数を推定する方法が考えられる。 On the other hand, a method using optical properties for measuring the leaf area index has also been proposed. Conventionally, solar radiation incident on vegetation has been known to attenuate gradually. However, red radiation (R: wavelength range of 650 to 700 nm) is attenuated while passing through the leaf group, but near-infrared radiation (FR: wavelength range of 700 to 800 nm) on the short wavelength side is not so attenuated even when passing through this. Considering the cause of such spectral absorption characteristics, when radiation in the wavelength region of 400 nm to 700 nm called photosynthesis effective radiation (PAR) effective for photosynthesis passes through the leaf group, the leaf functions almost as a black body. The main reason is that radiation is absorbed by the area. Therefore, a method for estimating the leaf area index using the spectral absorption characteristics of the leaves can be considered.
例えば、植生下で魚眼レンズと電子式撮像素子を用いて、近赤外放射と赤色放射とのそれぞれについて、露出時間を複数種類に変えて植生内の所定領域の画像を撮影し、この所定領域を細分した細分領域毎に近赤外放射と赤色放射のそれぞれについて輝度値を求め、この細分領域毎の近赤外放射と赤色放射との輝度値比を求めて、輝度値比を用いて相対日射量を推定し、葉面積指数を求める技術が提案されている（特許文献１参照）。撮像した画像を画像処理することにより葉面積指数を推定する。ナローバンドの植生透過放射の放射輝度の比の空間分布を求めて葉面積指数の推定を行うものである。 For example, using a fisheye lens and an electronic image sensor under vegetation, for each of near-infrared radiation and red radiation, the exposure time is changed to a plurality of types and an image of a predetermined area in the vegetation is photographed. For each subdivided area, obtain a brightness value for each of near infrared radiation and red radiation, find a brightness value ratio between the near infrared radiation and red radiation for each subdivision area, and use the brightness value ratio to calculate relative solar radiation. A technique for estimating the amount and obtaining the leaf area index has been proposed (see Patent Document 1). The leaf area index is estimated by performing image processing on the captured image. The leaf area index is estimated by obtaining the spatial distribution of the ratio of the radiance of the narrow-band vegetation transmission radiation.
また、従来、植生を通過した赤色放射（波長６７５ｎｍ）と近赤外線放射（波長８００ｎｍ）の分光強度比（＝８００／６７５）が葉量の増加に伴って増加することも従来開示されている（非特許文献１参照）。ナローバンドの分光強度比の測定によって葉面積指数を求めようとするものである。
In addition, it has been conventionally disclosed that the spectral intensity ratio (= 800/675) of red radiation (wavelength 675 nm) and near-infrared radiation (
この非特許文献１には、葉面積指数Ｘと分光強度比Ｙ（＝８００／６７５）との間には相関関係があり、ｌｏｇＹ＝０．３８１３＋０．０９８９Ｘという関係を有することが報告されている。また、葉緑素ｘｍｇ／ｍ２と分光強度比Ｙとの間にｌｏｇＹ＝０．３８１３＋０．０００２９０８ｘの関係があると予測されている。上述したように光合成に有効な放射はＰＡＲ（４００ｎｍから７００ｎｍの波長領域の放射）であり、葉緑素量は葉の総量にほぼ比例するから、分光強度比Ｙ（＝８００／６７５）が大きくなったときは放射がこの葉群を通過する間に葉によって吸収され光合成が活発に行われたことを示唆している。
This
さらに、今まで実用化されている光学的葉面積指数センサの一例を挙げると、米国のＬＩ−ＣＯＲ社による全天をリング状に光学的に５分割して測光するプラントキャノピーアナライザーがある。この技術は、近赤外線放射は利用せず、青色放射（３２０〜４９０ｎｍ）のセンサを利用したナローバンドの透過放射の空間分布を測定して葉面積指数を求めるものである。 Furthermore, as an example of an optical leaf area index sensor that has been put into practical use, there is a plant canopy analyzer that measures light by optically dividing the whole sky into five rings by the US company LI-COR. This technique does not use near-infrared radiation, but determines the leaf area index by measuring the spatial distribution of narrow-band transmitted radiation using a sensor of blue radiation (320 to 490 nm).
また、林内のＰＡＲ平面分布を測定し、その測定値の変動量からＬＡＩを推定する手法も実用化されている（非特許文献２参照）。この技術は、晴天日にＰＡＲセンサを移動させながら測定し、ＰＡＲ強度分布から葉の密集度などを推定して葉面積指数を求めるものである。 In addition, a method of measuring the PAR plane distribution in the forest and estimating the LAI from the fluctuation amount of the measured value has been put into practical use (see Non-Patent Document 2). In this technique, measurement is performed while moving the PAR sensor on a clear day, and the leaf area index is obtained by estimating the density of leaves from the PAR intensity distribution.
次に、以上説明したような透過放射ではなく、反射放射を使ったリモートセンシングも提案されている。森林からの太陽放射の反射放射を人工衛星で測定し、次のような植生指標（Normalized Differential Vegetation Index，ＮＤＶＩ）を用いて葉面積指数を推定するものである。ここで、ＮＩＲを近赤外波長帯反射率、ＲＥＤを可視赤色波長帯反射率とすると、ＮＤＶＩ＝（ＮＩＲ−ＲＥＤ）／（ＮＩＲ＋ＲＥＤ）と表わされる。ＬＡＮＤＳＡＴ−ＴＭデータの場合、４バンド（ＮＩＲ）の波長は７６０ｎｍ〜９００ｎｍであり、３バンド（ＲＥＤ）の波長は６３０ｎｍ〜６９０ｎｍである。従って、ＮＤＶＩはナローバンドの反射放射の反射率による葉面積指数の指標ということができる。 Next, remote sensing using reflected radiation instead of transmitted radiation as described above has been proposed. The reflected radiation of solar radiation from the forest is measured with an artificial satellite, and the leaf area index is estimated using the following vegetation index (Normalized Differential Vegetation Index, NDVI). Here, when NIR is a near-infrared wavelength band reflectance and RED is a visible red wavelength band reflectance, NDVI = (NIR−RED) / (NIR + RED). In the case of LANDSAT-TM data, the wavelength of 4 bands (NIR) is 760 nm to 900 nm, and the wavelength of 3 bands (RED) is 630 nm to 690 nm. Therefore, NDVI can be said to be an index of the leaf area index based on the reflectance of the narrow band reflected radiation.
以上説明したように葉面積指数を求めるために刈り取り法あるいはサンプリング法によるのでは植生を伐採して破壊してしまう。しかも、人的労力の負担が大きく、事実上この方法では測定は難しい。 As described above, the vegetation is cut and destroyed by the cutting method or the sampling method in order to obtain the leaf area index. In addition, the burden of human labor is large, and in fact this method is difficult to measure.
そして、魚眼レンズと電子式撮像素子を用いて、近赤外放射と赤色放射のそれぞれについて所定領域の画像を撮影し、その輝度値比を求めて相対日射量を推定するという特許文献1の技術は、画像の撮影時の天候に作用され（晴天時の画像は利用できない）、露出に配慮して撮影する必要があり、その後に画像処理が必要になる。高コストの装置になり、画像処理が必要になることから連続測定が難しい。
Then, using the fisheye lens and the electronic image pickup device, the technique of
また、一定の葉面積指数を持った植生を通過した赤色放射と近赤外線放射の放射強度比がほぼ一定であるとの非特許文献１の報告では、実験室内の植物生理学的知見から６７５ｎｍと８００ｎｍの２波長の分光強度を選択して、葉面積指数を算出する。また、太陽の高さや、葉による放射の散乱などを抑えるために直上からの放射を狭角な指向性を持ったセンサによって測定を行う必要があり、曇天時の測定は勧められていない。従って、この非特許文献１の技術を利用した葉面積指数センサはナローバンドセンサであって狭角な指向性を持つため、センサへの放射量（放射強度）が不足し低感度になることが避けられない。実際に野外の測定を行うと測定値のバラツキが大きく、実用性がなかった。
In addition, in the report of Non-Patent
また、特許文献１の中で報告されているように、ナローバンドの透過放射を利用し、（近赤外放射の（空間的）積算値）／（赤色放射の（空間的）積算値）を計算して相対日射比を計算したとしても、葉が茂っていない部分の放射量の重みが相対的に高くなり、葉が茂っている部分の放射量の重みが低くなって、推定精度が低下すると予測される。この方法による葉面積指数の推定が失敗に帰したことは特許文献１において報告済みである。
Further, as reported in
そして、赤色放射と近赤外線放射の狭角なナローバンドセンサでは波長７００ｎｍにおけるレッドエッジシフトや葉の分光特性の微妙な種間差の影響を受け易く、出力が小さく、屋外で安定して測定することが難しかった。 Narrow-band sensors with narrow angles of red and near-infrared radiation are easily affected by red edge shifts at 700 nm and subtle differences in the spectral characteristics of leaves, with low output and stable measurements outdoors. It was difficult.
さらに既に実用化されているナローバンドの光学的葉面積指数センサは、林内と林外で同時測定を行う必要があったり、林内を移動させて測定する必要があり、また、測定時の天候に強く影響を受けるものであった。加えて複雑な光学系が必要であったり、測定値について複雑な解析が必要でもあった。しかも、測定には人の操作が必要なため、長期にわたる無人測定を行うこともできないものであった。 In addition, narrowband optical leaf area index sensors that have already been put into practical use must be measured simultaneously in the forest and outside the forest, or moved in the forest and measured, and are resistant to the weather during measurement. It was affected. In addition, a complicated optical system is required, and a complicated analysis is required for the measured value. In addition, since human operation is required for the measurement, unattended measurement over a long period of time cannot be performed.
また、人工衛星によるリモートセンシングも、反射放射を高解像度で受光するには高い指向性が必要になるが、反射放射は葉面積指数に対して指数関数的に減少するため、葉面積指数の増加とともに反射放射強度の減少が検出できなくなることが避けられなかった。とくにＬＡＩが２以上になると推定精度が著しく低下するし、撮影時の天候にも大きく影響される。様々な補正方法が提案されているが、決定的な補正方法は提案されていない。 In addition, remote sensing by satellite also requires high directivity to receive reflected radiation at high resolution, but reflected radiation decreases exponentially with respect to the leaf area index, so the leaf area index increases. At the same time, it was inevitable that the decrease in reflected radiation intensity could not be detected. In particular, when the LAI is 2 or more, the estimation accuracy is remarkably lowered, and the weather at the time of photographing is greatly affected. Various correction methods have been proposed, but no definitive correction method has been proposed.
このように、従来の光学的葉面積指数センサは何れもナローバンドセンサであって、長期間にわたり自動的に連続して測定でき、植生の内外で同時測定する必要がなく、野外でもノイズの影響を受けずに安定した測定が行え、出力が大きい、ブロードバンドでの測定が行える光学的葉面積指数センサは存在せず、光学的手法を用いて実測値に近い葉面積指数を得るのは困難であった。また、光合成有効放射吸収率を光学的に植生内の測定のみで得られる光合成有効放射吸収率センサは開発されていない。このように葉面積指数または光合成有効放射吸収率の測定が行える光学的植生指数センサに期待が集まっている。 In this way, all of the conventional optical leaf area index sensors are narrowband sensors that can automatically and continuously measure over a long period of time, eliminating the need for simultaneous measurements inside and outside the vegetation. There is no optical leaf area index sensor that can perform stable measurement without receiving light, has a large output, and can perform broadband measurements, and it is difficult to obtain a leaf area index that is close to the actual measurement value using an optical method. It was. Moreover, a photosynthetic effective radiation absorptivity sensor that optically obtains photosynthetic effective radiation absorptance only by measuring in vegetation has not been developed. Thus, there is an expectation for an optical vegetation index sensor that can measure the leaf area index or the photosynthetic effective radiation absorption rate.
そこで、本発明は、植生の内外で同時測定する必要がなく、長期間にわたり自動的に連続して安定した放射測定を行うことができ、安価で小型、軽量で出力が大きいブロードバンドで葉面積指数または光合成有効放射吸収率の測定が行える光学的植生指数センサを提供することを目的とする。 Therefore, the present invention does not require simultaneous measurement inside and outside the vegetation, can automatically and stably perform radiation measurement over a long period of time, is inexpensive, small, lightweight, broadband with high output, and a leaf area index. Another object of the present invention is to provide an optical vegetation index sensor capable of measuring a photosynthetic effective radiation absorption rate.
本発明の光学的植生指数センサは、葉又は葉群を透過した透過放射を受光すると、４００ｎｍ〜７００ｎｍの可視放射領域の放射に対して補正フィルタにより光量子束密度で測定するための分光特性の補正を行い、補正後の放射を受光部で光電変換することによって光合成有効放射度または光合成光量子束密度の何れかを示すＰＡＲ出力として出力する第１放射センサと、受光した放射に対してバンドパスフィルタにより７００ｎｍ〜１０００ｎｍの赤外放射領域のみの放射を取出し、この放射を受光部で光電変換することによってＰＡＲ出力と共通する単位の放射度または光量子束密度の何れかを示すＩＲ出力を出力できる第２放射センサと、ＰＡＲ出力とＩＲ出力を時間と共に積算し、ＩＲ出力の積算値をＰＡＲ出力の積算値で割って比を算出し、該比に対応した葉面積指数を求める演算部を備えたことを主な特徴とする。 When the optical vegetation index sensor of the present invention receives transmitted radiation transmitted through a leaf or a group of leaves, the optical vegetation index sensor corrects spectral characteristics for measuring the photon flux density with a correction filter for radiation in the visible radiation region of 400 nm to 700 nm. And a first radiation sensor that outputs as a PAR output indicating either the photosynthetic effective radiance or the photosynthetic photon flux density by photoelectrically converting the corrected radiation at the light receiving unit, and a bandpass filter for the received radiation. Extracting radiation only in the infrared radiation region of 700 nm to 1000 nm, and photoelectrically converting this radiation at the light receiving unit, can output IR output indicating either unit radiance or photon flux density in common with PAR output. The radiation sensor, the PAR output and the IR output are integrated with time, and the integrated value of the IR output is divided by the integrated value of the PAR output. Calculated, and characterized mainly in that an arithmetic unit for determining the leaf area index that corresponds to the ratio.
また本発明の光学的植生指数センサは、葉又は葉群を透過した透過放射を受光すると、４００ｎｍ〜７００ｎｍの可視放射領域の放射に対して補正フィルタにより光量子束密度で測定するための分光特性の補正を行い、補正後の放射を受光部で光電変換することによって光合成有効放射度または光合成光量子束密度の何れかを示すＰＡＲ出力として出力する第１放射センサと、受光した放射に対してバンドパスフィルタにより７００ｎｍ〜１０００ｎｍの赤外放射領域のみの放射を取出し、この放射を受光部で光電変換することによってＰＡＲ出力と共通する単位の放射度または光量子束密度の何れかを示すＩＲ出力を出力できる第２放射センサと、ＰＡＲ出力とＩＲ出力を時間と共に積算し、ＩＲ出力の積算値をＰＡＲ出力の積算値で割って比を算出し、該比に対応した光合成有効放射吸収率を求める演算部を備えたことを主な特徴とする。 The optical vegetation index sensor according to the present invention corrects spectral characteristics for measuring the photon flux density with a correction filter for radiation in the visible radiation region of 400 nm to 700 nm when receiving transmitted radiation transmitted through a leaf or a group of leaves. A first radiant sensor that outputs as a PAR output indicating either the photosynthetic effective radiance or the photosynthetic photon flux density by photoelectrically converting the corrected radiation at the light receiving unit, and a bandpass filter for the received radiation By taking out the radiation only in the infrared radiation region of 700 nm to 1000 nm by means of this, and photoelectrically converting this radiation at the light receiving part, it is possible to output IR output indicating either unit radiance or photon flux density in common with the PAR output. Two radiation sensors, PAR output and IR output are integrated over time, and the integrated value of IR output is divided by the integrated value of PAR output Calculating the ratio, it is mainly characterized by having an arithmetic unit for obtaining the photosynthetically active radiation absorption ratio corresponding to the ratio.
本発明の光学的植生指数センサによれば、林内で連続して安定した放射測定を行うことができ、植生の内外での同時測定無しで、安価で小型、軽量で出力が大きく、ブロードバンドで葉面積指数または光合成有効放射吸収率の測定が行える光学的植生指数センサを提供することができる。 According to the optical vegetation index sensor of the present invention, it is possible to perform continuous and stable radiation measurement in a forest, and it is inexpensive, compact, lightweight, has a large output, and has broadband output without simultaneous measurement inside and outside the vegetation. An optical vegetation index sensor capable of measuring area index or photosynthetic effective radiation absorption rate can be provided.
本発明の第１の発明の形態は、葉又は葉群を透過した透過放射を受光すると、４００ｎｍ〜７００ｎｍの可視放射領域の放射に対して補正フィルタにより光量子束密度で測定するための分光特性の補正を行い、補正後の放射を受光部で光電変換することによって光合成有効放射度または光合成光量子束密度の何れかを示すＰＡＲ出力として出力する第１放射センサと、受光した放射に対してバンドパスフィルタにより７００ｎｍ〜１０００ｎｍの赤外放射領域のみの放射を取出し、この放射を受光部で光電変換することによってＰＡＲ出力と共通する単位の放射度または光量子束密度の何れかを示すＩＲ出力を出力できる第２放射センサと、ＰＡＲ出力とＩＲ出力を時間と共に積算し、ＩＲ出力の積算値をＰＡＲ出力の積算値で割って比を算出し、該比に対応した葉面積指数を求める演算部を備えたことを特徴とする光学的植生指数センサである。この構成によって、葉を透過した透過光に対してＩＲ出力の積算値とＰＡＲ出力の積算値の比、例えば赤外線放射度の積算値を光合成放射度の積算値で割った比を基にして葉面積指数を求めることができるので、林内で連続して安定した放射測定を行うことができ、植生の内外での同時測定無しで、安価で小型、軽量で出力が大きく、ブロードバンドで葉面積指数の測定が行える光学的植生指数センサを提供することができる。 According to the first aspect of the present invention, when the transmitted radiation transmitted through the leaf or the leaf group is received, the spectral characteristic correction for measuring the photon flux density by the correction filter for the radiation in the visible radiation region of 400 nm to 700 nm is performed. A first radiant sensor that outputs as a PAR output indicating either the photosynthetic effective radiance or the photosynthetic photon flux density by photoelectrically converting the corrected radiation at the light receiving unit, and a bandpass filter for the received radiation By taking out the radiation only in the infrared radiation region of 700 nm to 1000 nm by means of this, and photoelectrically converting this radiation at the light receiving part, it is possible to output IR output indicating either unit radiance or photon flux density in common with the PAR output. Two radiation sensors, PAR output and IR output are integrated over time, and the ratio is calculated by dividing the integrated value of IR output by the integrated value of PAR output. And is optically vegetation index sensor, characterized in that an arithmetic unit for determining the leaf area index that corresponds to the ratio. With this configuration, the ratio of the integrated value of the IR output and the integrated value of the PAR output to the transmitted light transmitted through the leaf, for example, the ratio obtained by dividing the integrated value of the infrared radiance by the integrated value of the photosynthetic radiance, Since the area index can be obtained, it is possible to perform continuous and stable radiation measurement in the forest, without the simultaneous measurement inside and outside the vegetation, cheap, small, lightweight, high output, broadband and leaf area index An optical vegetation index sensor capable of measurement can be provided.
本発明の第２の発明の形態は、第１の発明の形態において、第１放射センサと第２放射センサの受光面には放射をコサイン補正できる光拡散板が設けられ、入射放射の入角特性が広角に設定されたことを特徴とする光学的植生指数センサである。この構成によって、林冠全体を平均化し、太陽の高さや光の散乱などに大きく作用されず、広角で安定して大量の光を受光することができ、高感度、高出力のセンサを実現でき、ノイズの影響が少なく、ブロードバンドで葉面積指数の測定が行える光学的植生指数センサを提供することができる。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, a light diffusing plate capable of cosine correction of radiation is provided on the light receiving surfaces of the first radiation sensor and the second radiation sensor, and an incident angle of incident radiation. The optical vegetation index sensor is characterized in that the characteristic is set to a wide angle. With this configuration, the entire canopy is averaged, it is not greatly affected by the height of the sun or light scattering, etc., it can receive a large amount of light stably at a wide angle, and a high sensitivity, high output sensor can be realized, It is possible to provide an optical vegetation index sensor that is less affected by noise and can measure a leaf area index by broadband.
本発明の第３の発明の形態は、第１又は２の発明の形態において、演算部が、ＰＡＲ出力とＩＲ出力をそれぞれ積算する積算手段と、積算したＩＲ出力の積算値をＰＡＲ出力の積算値で割って比を算出する比演算手段と、前記比に基づいてこれと対応する葉面積指数を求める葉面積指数換算手段とを備えたことを特徴とする光学的植生指数センサである。この構成によって、葉を透過した透過光に対してＩＲ出力の積算値とＰＡＲ出力の積算値の比、例えば赤外線放射度の積算値を光合成放射度の積算値で割った比を基に積算手段と比演算手段、葉面積指数換算手段とによる簡単な演算で正確な葉面積指数を求めることができる。 According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect of the present invention, the arithmetic unit integrates the PAR output and the IR output, and the integrated value of the integrated IR output is integrated with the integrated PAR output. An optical vegetation index sensor comprising: a ratio calculation unit that calculates a ratio by dividing by a value; and a leaf area index conversion unit that calculates a leaf area index corresponding to the ratio based on the ratio. With this configuration, the integration means based on the ratio of the integrated value of the IR output to the integrated value of the PAR output with respect to the transmitted light transmitted through the leaf, for example, the ratio obtained by dividing the integrated value of the infrared radiation by the integrated value of the photosynthetic radiation And an accurate leaf area index can be obtained by simple calculation by the ratio calculating means and the leaf area index converting means.
本発明の第４の発明の形態は、第１乃至第３の何れかの発明の形態において、葉面積指数が比またはその関数を真数とする対数関数の一次関数であることを特徴とする光学的植生指数センサである。この構成によって、葉を透過した透過光に対してＩＲ出力の積算値とＰＡＲ出力の積算値の比を基にして簡単な演算を行うだけで正確な葉面積指数を求めることができるので、林内で連続して安定した放射測定を行うことができ、植生の内外での同時測定無しで、安価で小型、軽量で出力が大きく、ブロードバンドで葉面積指数の測定が行える光学的植生指数センサを提供することができる。 According to a fourth aspect of the present invention, in any one of the first to third aspects, the leaf area index is a linear function of a logarithmic function having a ratio or a true number of the function. It is an optical vegetation index sensor. With this configuration, an accurate leaf area index can be obtained simply by performing a simple calculation based on the ratio of the integrated value of the IR output and the integrated value of the PAR output to the transmitted light transmitted through the leaves. Provides an optical vegetation index sensor that can perform stable and stable radiation measurements, and is inexpensive, compact, lightweight, has high output, and can measure the leaf area index broadband, without simultaneous measurement inside and outside the vegetation can do.
本発明の第５の発明の形態は、葉又は葉群を透過した透過放射を受光すると、４００ｎｍ〜７００ｎｍの可視放射領域の放射に対して補正フィルタにより光量子束密度で測定するための分光特性の補正を行い、補正後の放射を受光部で光電変換することによって光合成有効放射度または光合成光量子束密度の何れかを示すＰＡＲ出力として出力する第１放射センサと、受光した放射に対してバンドパスフィルタにより７００ｎｍ〜１０００ｎｍの赤外放射領域のみの放射を取出し、この放射を受光部で光電変換することによってＰＡＲ出力と共通する単位の放射度または光量子束密度の何れかを示すＩＲ出力を出力できる第２放射センサと、ＰＡＲ出力とＩＲ出力を時間と共に積算し、ＩＲ出力の積算値をＰＡＲ出力の積算値で割って比を算出することにより該比に対応した光合成有効放射吸収率に換算する演算部を備えたことを特徴とする光学的植生指数センサである。この構成によって、葉を透過した透過光に対してＩＲ出力の積算値とＰＡＲ出力の積算値の比、例えば赤外線放射度の積算値を光合成放射度の積算値で割った比を基にして光合成有効放射吸収率に換算することができるので、林内で連続して安定した放射測定を行うことができ、植生の内外での同時測定無しで、安価で小型、軽量で出力が大きく、ブロードバンドで光合成有効放射吸収率の測定が行える光学的植生指数センサを提供することができる。 According to a fifth aspect of the present invention, when transmitted radiation transmitted through a leaf or a group of leaves is received, the spectral characteristic is corrected for measuring the photon flux density with a correction filter for radiation in the visible radiation region of 400 nm to 700 nm. A first radiant sensor that outputs as a PAR output indicating either the photosynthetic effective radiance or the photosynthetic photon flux density by photoelectrically converting the corrected radiation at the light receiving unit, and a bandpass filter for the received radiation By taking out the radiation only in the infrared radiation region of 700 nm to 1000 nm by means of this, and photoelectrically converting this radiation at the light receiving part, it is possible to output IR output indicating either unit radiance or photon flux density in common with the PAR output. Two radiation sensors, PAR output and IR output are integrated over time, and the ratio is calculated by dividing the integrated value of IR output by the integrated value of PAR output. It is optically vegetation index sensor, characterized by having an arithmetic unit for converting the photosynthetically active radiation absorption ratio corresponding to the ratio by. With this configuration, photosynthesis is based on the ratio of the integrated value of IR output and the integrated value of PAR output to the transmitted light transmitted through the leaves, for example, the ratio of the integrated value of infrared radiance divided by the integrated value of photosynthetic radiance. Since it can be converted into an effective radiation absorption rate, stable radiation measurement can be performed continuously in the forest, and it is inexpensive, compact, lightweight, high output, and broadband photosynthesis without simultaneous measurement inside and outside the vegetation. An optical vegetation index sensor capable of measuring an effective radiation absorption rate can be provided.
以下、本発明の実施例１における光学的植生指数センサについて説明をする。図１，図２，図３に示すように、実施例１の光学的植生指数センサである光学的葉面積指数センサ１は、光合成有効放射域放射センサ２（本発明における第１放射センサ、以下ＰＡＲセンサ２）と、赤外線域放射センサ３（本発明における第２放射センサ、以下ＩＲセンサ３）と、このＰＡＲセンサ２，ＩＲセンサ３にそれぞれ接続された出力ケーブル４１，４２と、ＰＡＲセンサ２，ＩＲセンサ３からのそれぞれの出力（ＰＡＲ出力，ＩＲ出力）に対して、両出力値の比を算出し葉面積に換算する演算部５とから構成される。ＰＡＲセンサ２、ＩＲセンサ３の形状は、全方位から受光するからといっても円筒状には限られず、例えば、林内の平均放射が測定できるように長い棒状、あるいは複数のセンサから構成されても良い。演算部５は図１に示す波線のようにコンピュータ７内にソフトウェア的に構成される構成であっても、その他の電気的な演算回路でアナログ演算を行う装置であってもよい。
Hereinafter, the optical vegetation index sensor according to the first embodiment of the present invention will be described. As shown in FIGS. 1, 2 and 3, an optical leaf
まず第１放射センサとして、光合成光量子束密度（μｍｏｌ／ｍ２／ｓ）または光合成放射度（Ｗ／ｍ２）を示すＰＡＲ出力を出力するＰＡＲセンサ２は、図２のようにホトダイオードからなる受光部１１が取り付けられた基板２９を収容する筐体１８を備えたセンサである。この筐体１８の天面には光拡散板２０が設けられる。ここで、この光合成放射度とは、後述するように光合成に利用可能な単位面積当たりの光量子の量（光合成光量子束密度）をエネルギー（放射度（Ｗ／ｍ２））に換算した値に相当する。従って、受光部１１で光電交換された電荷量の変化を示す出力電圧（ｍＶ）は放射度（Ｗ／ｍ２）と光量子束密度（μｍｏｌ／ｍ２／ｓ）の、どちらの単位にも換算して出力することができる。ここで受光部１１には例えば量子型の光検出器であるＳｉホトダイオードを採用するのが好適である。このように受光部１１をホトダイオードとすることによりＰＡＲセンサ２の小型化、低下価格化が可能になる。光拡散板２０と受光部１１の間の空間には、上から順にＵＶ／ＩＲカットフィルタ１３、青色拡張フィルタ１５が配設される。受光部１１で光電変換された出力電圧（検出信号）は埋め込みコネクタ３１に出力され、ケーブルコネクタ３２を介して出力ケーブル４１に出力される。なお、ＵＶ／ＩＲカットフィルタ１３と青色拡張フィルタ１５が本発明の補正フィルタに相当する。
First, as the first radiation sensor, the
この筐体１８は円筒状で天面には凹部が形成されており、光拡散板２０がこの凹部内の中央で天面側を開放した状態で突出して設置される。さらに好適には、エッジ部分にＲを施したり形状をドーム状にしたりする。このような構造を持つ光拡散板２０によって、ほぼ十分な入射角特性（コサイン補正）が得られる。さらに光拡散板２０から出射される光を受光部１１に導く光路が筐体１８内に設けられる。光拡散板２０は全天からの光を広角で受光部１１に広く取り込むための構成である。拡散板２０からの出射光を導く光路にはＵＶ／ＩＲカットフィルタ１３、青色拡張フィルタ１５が配置され、これらのフィルタの作用で波長領域が特定の範囲に限定され、かつ感度調整される。詳細は後述するが、光量子束密度で測定するための分光特性の補正が行われる。
The
従って、植生を通った外界からの光はすべて光拡散板２０の上方から入射し、コサイン補正されて内部で拡散・平均化され、その底面から筐体１８内へ出射される。これらの構成により外界からのほぼすべての光を取り込むことができる。なお、下方からの入射光は筐体１８によって遮断される。受光部１１は基板２９上の光拡散板２０側となる上面側に受光面が置かれる。光路の上からの順でいうと、光拡散板２０、ＵＶ／ＩＲカットフィルタ１３と青色拡張フィルタ１５、受光部１１の順に部材が配置される。
Therefore, all the light from the outside through the vegetation enters from above the
なお、筐体１８の構造は、ＵＶ／ＩＲカットフィルタ１３、青色拡張フィルタ１５、基板２９などを確実に固定して配置することができ、光を所定の特性に調整して受光部１１で光電変換できるのであれば十分であり、構造的にとくに限定されるものではない。また、基板２９、埋め込みコネクタ３１とケーブルコネクタ３２の構造も、基板２９において検出信号のゲイン調整をして出力できる構成であれば特定の構造に限られるものではない。
Note that the structure of the
次に第２放射センサとして、ＩＲ（赤外：Infrared）領域の放射度を測定してＩＲ出力を出力するＩＲセンサ３には、ホトダイオードからなる受光部１２が取り付けられた基板３０を収容する筐体１９が設けられ、この筐体１９の天面には光拡散板２１が設けられている。Ｓｉホトダイオードは量子型の光検出器であり、４００ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲で高い直線性感度を有していることから、受光部１２にはＰＡＲセンサ２と同様にＳｉホトダイオードを採用するのが好適である。ホトダイオードとすることによりＩＲセンサ３の小型化、低下価格化が可能になる。光拡散板２１と受光部１２の間の空間にはＩＲパスフィルタ１４（本発明におけるバンドパスフィルタ）が配設される。受光部１２で光電変換された電圧（検出信号）は埋め込みコネクタ３３に出力され、ケーブルコネクタ３４を介して出力ケーブル４２に出力される。
Next, as a second radiation sensor, an
この筐体１９は円筒状で天面には凹部が形成されており、光拡散板２１がこの凹部内の中央で天面側を開放した状態で突出して設置される。さらに光拡散板２１から出射される光を受光部１２に導く光路が筐体１９内に設けられる。光拡散板２１は全天から光を広角で受光部１２に取り込むために光の拡散・平均化をするための構成である。出射光の光路として筐体１９の中央にＩＲパスフィルタ１４が配置され、このＩＲパスフィルタ１４の下方に受光部１２が配置される。
The
この筐体１９は、受光した光の光路上にＩＲパスフィルタ１４を確実に固定して配置することができ、光を所定の特性に調整して受光部１２で光電変換できるのであれば十分である。また、埋め込みコネクタ３３とケーブルコネクタ３４も検出信号を出力できる構造であればよい。
The
ＩＲセンサ３においては、植生を通った光はすべて光拡散板２１の上方から入射され、内部で拡散されて底面から筐体１９内へ出射される。受光部１２で光電変換された電圧（検出信号）はゲイン調整後に埋め込みコネクタ３３に出力され、ケーブルコネクタ３４を介して出力ケーブル４２に出力される。このＩＲパスフィルタ１４の作用で波長領域の限定と感度調整が行われる。
In the
なお、ＰＡＲセンサ２，ＩＲセンサ３の主要部品は、２つの放射センサで共通する部品を使用することができる。ＰＡＲセンサ２，ＩＲセンサ３は、光の特性を調整するフィルタなどの構造は一部異なるが、筐体１８，１９の本体や、ケーブルコネクタ３２，３４など、残りの主要部品の構成は共通の仕様にすることができ、部品の共用化、光学特性の共通化を図ることができるものである。
The main parts of the
続いて、２つの放射センサからの出力（ＰＡＲ出力，ＩＲ出力）に基づいて葉面積指数を算出する構成について説明する。ＰＡＲセンサ２，ＩＲセンサ３からの各出力は演算部５に入力される。受光部１１で光電交換された電圧（ｍＶ）は、設定により、放射度（Ｗ／ｍ２）と光量子束密度（μｍｏｌ／ｍ２／ｓ）の、何れの単位にでも換算でき、前者は光合成有効放射度（Ｗ／ｍ２）に、後者は光合成光量子束密度（μｍｏｌ／ｍ２／ｓ）になる。光電交換された電圧（ｍＶ）に換算係数を掛けることにより（ゲイン調整）、放射度と光量子束密度の何れの単位にでも容易に換算できる。一方の単位が基準として採用されている場合は、設定を変えることで一方から他方へ容易に出力の変更が行える。なお、演算部５において変換することもできる。受光部１２で光電交換された電圧（ｍＶ）についても、７００ｎｍ〜１０００ｎｍの赤外放射領域の放射度（以下、赤外線放射度（Ｗ／ｍ２））とその光量子束密度（以下、赤外線光量子束密度（μｍｏｌ／ｍ２／ｓ））のどちらの単位にも換算できる。本発明にとって重要なことは、ＰＡＲ出力，ＩＲ出力となる放射度と光量子束密度の単位を、放射度（Ｗ／ｍ２）あるいは光量子束密度（μｍｏｌ／ｍ２／ｓ）のどちらか一方となる共通の単位に揃えて出力もしくは演算することである。
Next, a configuration for calculating a leaf area index based on outputs (PAR output and IR output) from two radiation sensors will be described. Each output from the
演算部５は、アナログ量である２つの出力値を時計、タイマ等の計時手段（図示しない）を使ってカウントした日照時間と共に積算してその比、すなわちＩＲ出力の積算値／ＰＡＲ出力の積算値を計算するアナログ演算回路を備える。あるいは、Ａ／Ｄ変換後にコンピュータ７においてデジタル的に演算を行うソフトウェア構成の演算部であってもよい。ここで、ＩＲ出力の積算値がＩＲセンサ３で光電交換された電荷の変化の総量に相当し、ＰＡＲ出力の積算値がＰＡＲセンサ２で光電交換された電荷の変化の総量に相当するから、（ＩＲ出力の積算値／ＰＡＲ出力の積算値）は４００ｎｍ〜７００ｎｍの可視放射領域と７００ｎｍ〜１０００ｎｍの赤外放射領域で受光した光量子の総数の比に相当する。そしてこの比は、（赤外線放射度の積算値／光合成有効放射度の積算値）と（赤外線光量子束密度の積算値／光合成光量子束密度の積算値）のどちらの比であっても、実質は同一の比であることが分かる。それぞれで分母と分子の量の単位を揃えていればどちらでも同じ計算結果が得られる。図１のように、演算部５に設けられた積算手段５３によって２つの出力値を積算し、比演算手段５１がこの２つの積算値の比を出力する。なお、ソフトウェア的な比演算手段５１、積算手段５３はコンピュータ７に比を計算するプログラムを読み込んで、この処理を実行する機能実現手段である。
The
演算結果は演算部５に設けられている図１の葉面積指数換算手段５２に渡され、葉面積指数換算手段５２が演算結果である比に対応する葉面積指数を求める。算出に当たっては、上述のソフトウェア的な演算部５の場合、予めメモリ６に比と葉面積指数の相関関数（換算式６１）を登録しておき、葉面積指数換算手段５２がこの換算式６１によって比（ＩＲ出力の積算値／ＰＡＲ出力の積算値）から演算により葉面積指数を出力する。あるいは、比演算手段５１で直接比を演算して葉面積指数を出力するのではなく、演算部５に例えば図示しない放射度推定手段を設けると共に、予め単位を揃えたＩＲ出力とＰＡＲ出力とを関係づける植生ごとの検量線、例えば光合成有効放射度（ＰＡＲ出力）と赤外線放射度（ＩＲ出力）の検量線をメモリ６に保存しておき、この検量線と測定したＰＡＲ出力、例えば実際に測定した光合成有効放射度を基に、検量線で関係づけられたＩＲ出力、例えば赤外線放射度を放射度推定手段によって求め、積算手段５３によってこれらを積算し、比演算手段５１、葉面積指数換算手段５２の作用で演算部５が比（ＩＲ出力の積算値／ＰＡＲ出力の積算値）を計算してこれに対応した葉面積指数を出力することもできる。
The calculation result is passed to the leaf area index conversion means 52 of FIG. 1 provided in the
またあるいは、演算方式とは異なって、比と葉面積指数を対応づける換算テーブル６２をメモリ６に保存しておき、この換算テーブル６２を参照して葉面積指数を出力することもできる。演算回路の場合、アナログ計算によって比から葉面積指数を直接算出する。コンピュータ７に表示装置を接続しておき、連続的に測定された比を時間軸で一覧表示することもできる。例えば後述する図１０のように葉面積指数の季節の移り変わりにおける変化をみることができる。
Alternatively, unlike the calculation method, a conversion table 62 that associates a ratio with a leaf area index can be stored in the
さて、以上、光学的葉面積指数センサ１の各構造を中心に説明したが、ＰＡＲセンサ２，ＩＲセンサ３で行われる感度調整について詳しく説明する。まずＰＡＲセンサ２について説明する。以下ＰＡＲ出力が光合成有効放射度（Ｗ／ｍ２）、ＩＲ出力が赤外線放射度（Ｗ／ｍ２）の場合について説明する。
The above description has focused on each structure of the optical leaf
ＰＡＲセンサ２の感度調整は光合成有効波長内の光量子数を正確に表すために行われる。ＰＡＲセンサ２の受光部１１を構成するのは可視光の領域である４００ｎｍ〜７００ｎｍの波長領域に感度特性を有するホトダイオードである。このため、ＵＶ／ＩＲカットフィルタ１３が４００ｎｍよりも短い波長の紫外（ＵＶ）域の光と７００ｎｍより長い波長の赤外（ＩＲ）域の光を遮断する。
The sensitivity adjustment of the
続いて青色拡張フィルタ１５が、この紫外域と赤外域の波長がカットされた光に対して、青色付近を拡張するようにそのスペクトル特性を補正し、ここから補正された光を受光部１１で受光する。従って、ＵＶ／ＩＲカットフィルタ１３の透過特性に青色拡張フィルタ１５の透過特性を掛けたスペクトル特性に補正し、受光部１１ではこれに感度特性が掛けられた特性で受光されることになる。さらに実施例１では、出力されるスペクトル特性が平坦な特性になるように補正され、これが光電交換されて基板３０から光合成有効放射度を示す出力としてケーブル４１から出力される。
Subsequently, the
ここで、この紫外域と赤外域の波長領域のカットと青色付近のスペクトル特性の補正の必要性について説明する。 Here, the necessity of cutting the wavelength region in the ultraviolet region and the infrared region and correcting the spectral characteristics in the vicinity of blue will be described.
植物は光放射エネルギーを光合成に利用する。光量子１個のエネルギーは、短波長の光ほどエネルギーが大きく、長波長へ行くに従ってエネルギーが小さくなる。すなわち、光量子はその波長に反比例してエネルギー量が変化する。プランクの定数（６．６３×１０−３４Ｊｓ）をｈ、光速をｃ（３×１０８ｍ／ｓ）、波長をλとすると、光量子エネルギーｅはｅ＝ｈｃ／λと表される。 Plants use light radiant energy for photosynthesis. The energy of one photon is larger as the light has a shorter wavelength, and the energy decreases as the wavelength goes longer. That is, the amount of energy of the photon changes in inverse proportion to its wavelength. If the Planck's constant (6.63 × 10 −34 Js) is h, the speed of light is c (3 × 10 8 m / s), and the wavelength is λ, the photon energy e is expressed as e = hc / λ.
また、葉に含まれる葉緑素は図４のように吸収帯を２つもっており、赤色光（４００ｎｍ〜５００ｎｍ）と青色光（６００ｎｍ〜７００ｎｍ）を主に吸収する。しかし、この２つの領域では波長λが異なるため光量子１個の持っているエネルギーは上述したように異なる。そして植物の光合成は葉緑素が光を吸収すると光量子単位で反応するから、光量子を吸収する個数が重要になる。葉緑素に吸収されない光が照射されても光合成に寄与しないので、照射されなかったのと等しい。従って、光がどれだけ光合成に利用できるかは波長で異なることになる。 Moreover, the chlorophyll contained in the leaves has two absorption bands as shown in FIG. 4, and mainly absorbs red light (400 nm to 500 nm) and blue light (600 nm to 700 nm). However, since the wavelengths λ are different in these two regions, the energy possessed by one photon is different as described above. In plant photosynthesis, when chlorophyll absorbs light, it reacts in units of photons, so the number of photons absorbed is important. Irradiation with light that is not absorbed by chlorophyll does not contribute to photosynthesis, which is equivalent to no irradiation. Therefore, how much light can be used for photosynthesis varies depending on the wavelength.
従って、光量子を放射の単位として測定することにすれば、言い換えれば光量子束密度（ＰＦＤ；Photon Flux Density）を光の単位として使うことにすれば、光合成効率を波長に依存せずに評価することができる。植物は、植物ごとに葉の大きさや、厚さ、形態などで少し異なるが、４００ｎｍ〜７００ｎｍの放射を利用して植物ごとに葉によって吸収された光合成光量子束密度（ＰＰＦＤ；Photosynthetic Photon Flux Density；μｍｏｌ／ｍ２／ｓ）を測定すれば、光合成の反応程度が分かる。光合成活性は平均的には葉緑素の量に比例し、葉緑素量は葉面積に比例するから、光合成光量子束密度の吸収量から植物ごとに葉の量が分かる。図５は光合成光量子束密度のスペクトル特性を示すものであり、光合成有効放射は単位となるＰＦＤのスペクトル分布とよく一致している。 Therefore, if the photon is measured as a unit of radiation, in other words, if the photon flux density (PFD) is used as the unit of light, the photosynthetic efficiency is evaluated without depending on the wavelength. Can do. Plants differ slightly from plant to plant in terms of leaf size, thickness, morphology, etc., but photosynthetic photon flux density (PPFD) absorbed by the leaves from plant to plant using radiation of 400 nm to 700 nm; (μmol / m 2 / s) is measured, the degree of photosynthesis reaction can be determined. The photosynthetic activity is, on average, proportional to the amount of chlorophyll, and the amount of chlorophyll is proportional to the leaf area. Therefore, the amount of leaves is known for each plant from the absorption amount of the photosynthetic photon flux density. FIG. 5 shows the spectral characteristics of the photosynthetic photon flux density, and the photosynthetic effective radiation agrees well with the spectral distribution of the unit PFD.
このように光合成有効放射が４００ｎｍ〜７００ｎｍの光であるため、ＵＶ／ＩＲカットフィルタ１３によって光合成有効光量子束密度測定の妨げになる不要な波長領域の光をカットする。さらに青色拡張フィルタ１５によって青色付近の波長領域で感度を上げるように特性を補正する。これにより光量子束密度を単位とする測定、すなわち光量子の数による放射度の測定が可能になる。そして、この光がホトダイオードの感度特性に従ってホトダイオードに受光され、光電交換後に光合性有効成放射度として出力される。なお、光合成光量子束密度は平均的陸上植物の光合成有効放射（ＰＡＲ）と良好な一致を示すことが知られている。
As described above, since the photosynthesis effective radiation is light of 400 nm to 700 nm, the UV / IR cut
図６はデイゴの葉における分光反射特性と分光透過特性を示す。図６において、太線はデイゴの葉の裏側（太陽光に対して裏側）での反射率であり、細線はデイゴの葉の表側の反射率である。また、一点鎖線は透過率を示す。 FIG. 6 shows spectral reflection characteristics and spectral transmission characteristics of the leaves of Deigo. In FIG. 6, the thick line is the reflectance on the back side of the deigo leaf (the back side with respect to sunlight), and the thin line is the reflectance on the front side of the deigo leaf. Moreover, a dashed-dotted line shows the transmittance.
図６によれば、７００ｎｍが境界になって光の反射と透過の性質が大きく変化していることが分かる。光量子の反射率は７００ｎｍ以下で葉の上方位置からの方が下方位置からより相対的に大きい。これに対して７００ｎｍより長い波長領域では、葉の上方位置、下方位置共に３倍から６倍程度の反射率を測定できている。 According to FIG. 6, it can be seen that the properties of light reflection and transmission change greatly with 700 nm as a boundary. The reflectance of the photon is 700 nm or less, and is relatively larger from the upper position of the leaf than from the lower position. On the other hand, in the wavelength region longer than 700 nm, the reflectance of about 3 to 6 times can be measured at both the upper and lower positions of the leaf.
これを透過率でみると、７００ｎｍ以下では光が透過しないが、７００ｎｍ以上の赤外域では光をきわめて良好に透過させている。すなわち、植生内では光合成に利用できない赤外域の光量子の比率が高まっている。なお図６はデイゴの葉の測定例であるが、マテバシイ、タケ、ヤツデなど多くの植物の分光反射特性を測定しても、葉間差、種間差はほとんどない。 In terms of transmittance, light is not transmitted below 700 nm, but light is transmitted very well in the infrared region above 700 nm. That is, the proportion of infrared photons that cannot be used for photosynthesis in vegetation is increasing. Although FIG. 6 shows an example of measuring the leaves of a deigo, there is almost no difference between leaves or between species even when the spectral reflection characteristics of many plants such as pine oysters, bamboo, and a millipede are measured.
このように光合成光量子束密度を測定すれば、ＰＡＲセンサ２によって透過光が葉群を通過する間に光合成がどの程度行われたか、光がどれだけ減衰したかを絶対値で知ることができる。
By measuring the photosynthetic photon flux density in this way, it is possible to know by the
これに対して、ＩＲセンサ３で行われる感度調整について説明する。ＩＲセンサ３の感度調整は透過光の赤外領域の赤外線光量子束密度、あるいは単位面積当たりの光エネルギーに当たる赤外線放射度を表すようにするものである。ＩＲセンサ３においては、受光された光はＩＲパスフィルタ１４によって７００〜１０００ｎｍの赤外域の光のみを透過し、所定の感度特性を有する受光部１２のホトダイオードで受光され、光電変換される。すなわち、ＩＲパスフィルタ１４の透過特性に受光部１２１の感度特性が掛け合わされて、更に赤外線放射度を出力できるようにゲイン調整される。
In contrast, sensitivity adjustment performed by the
図６によれば７００ｎｍ以上の赤外域では葉または葉群は光量子をきわめて安定的かつ良好に透過する。すなわち、植生内では光合成に利用できなかった赤外域の光量子の比率が高まる。そこで透過光の放射測定は少なくとも７００ｎｍより大きな波長領域の光を使えばよいことが分かる。 According to FIG. 6, in the infrared region of 700 nm or more, leaves or leaf groups transmit photons very stably and satisfactorily. That is, the proportion of infrared photons that could not be used for photosynthesis within the vegetation increases. Therefore, it is understood that the transmitted light radiation measurement may be performed using light having a wavelength region larger than at least 700 nm.
光合成光量子束密度と赤外光の放射測定を行うときに最も重要なことは、ＰＡＲセンサ２で４００ｎｍから７００ｎｍの波長領域で光量子束密度（光量子の量）を測定しなければならないことであり、かつ、ＩＲセンサ３で７００ｎｍより大きな赤外光領域の光量子束密度もしくは放射束密度（放射度）を測定しなければならないことである。加えて、両測定値は放射度または光量子束密度の一方に単位を揃えておくことも必要である。そしてＰＡＲセンサ２とＩＲセンサ３の何れかにおいて、７００ｎｍを含んだ波長領域を跨って測定したのでは、光量子束密度と赤外領域の放射束密度（放射度）は不正確な値となる。
What is most important when performing photosynthesis photon flux density and infrared radiation measurement is that the
また、赤外領域の放射測定を行うとき、無制限に広い波長領域で放射測定するのは好ましくない。というのは、所定の波長より長波長の波長領域はスペクトルが葉中、葉上の水分等が影響して変動するからである。図７はマテバシイの表側と裏側の葉の反射と吸収スペクトル特性であるが、１０００ｎｍを越える波長領域において、何れも葉の水分のため光が吸収され、透過率が低下し、不安定な値を示している。このように透過光の放射測定を行うときには、含水率の影響が少ない安定した１０００ｎｍ以下、すなわち７００ｎｍ〜１０００ｎｍ程度の波長領域が適当である。７００ｎｍ〜１０００ｎｍのスペクトル特性はほぼ一定の傾向をもつ。これらはマテバシイに限ったことではなく、別の植物でも同様である。 In addition, when performing radiation measurement in the infrared region, it is not preferable to perform radiation measurement in an unlimited wide wavelength region. This is because the spectrum of the wavelength region longer than the predetermined wavelength fluctuates due to the influence of moisture on the leaves and the like. FIG. 7 shows the reflection and absorption spectrum characteristics of the front and back leaves of the pine moth. In the wavelength region exceeding 1000 nm, light is absorbed by the moisture of the leaves, the transmittance decreases, and unstable values are obtained. Show. In this way, when the radiation measurement of transmitted light is performed, a stable wavelength region of 1000 nm or less, that is, about 700 nm to 1000 nm, which is less affected by moisture content, is appropriate. The spectral characteristics from 700 nm to 1000 nm tend to be almost constant. These are not limited to edulis but also in other plants.
ここで、単位の関係について詳細に説明する。光量子束密度の単位は既に述べたようにμｍｏｌ／ｍ２／ｓである。これに対し、放射束密度（放射度）の単位はＷ／ｍ２である。 Here, the relationship between units will be described in detail. The unit of the photon flux density is μmol / m 2 / s as described above. On the other hand, the unit of radiant flux density (radiance) is W / m 2 .
この光量子束密度は放射度に換算できる。このため光量子１個のエネルギーｅがｅ＝ｈｃ／λであることを使う。光量子束密度にこの光量子１個のエネルギーとアボガドロ数を積算すると、放射度（Ｗ／ｍ２）となる。つまり、放射度（Ｗ／ｍ２）＝光量子束密度（μｍｏｌ／ｍ２／ｓ）×アボガドロ数（１／ｍｏｌ）×プランク定数（Ｊｓ）×光速度（ｍ／s）／波長（ｍ）である。 This photon flux density can be converted to radiance. For this reason, the fact that the energy e of one photon is e = hc / λ is used. When the energy of one photon and the Avogadro number are added to the photon flux density, the irradiance (W / m 2 ) is obtained. That is, irradiance (W / m 2 ) = photon flux density (μmol / m 2 / s) × Avocado number (1 / mol) × Planck constant (Js) × light velocity (m / s) / wavelength (m) is there.
この関係から、ＰＡＲセンサ２は光合成光量子束密度に相当する光合成有効放射度（Ｗ／ｍ２）を出力することができ、ＩＲセンサ３は７００ｎｍ〜１０００ｎｍの赤外線放射度（Ｗ／ｍ２）を出力することができる。何れも絶対量である。そしてこの両者の対応関係を基にすれば、植生の中の所定地点において、植物のタイプ（木本，草本，落葉，常緑）に応じて葉がどの程度茂っているのかを評価することが可能になる。
From this relationship, the
また、本発明者は葉または植生を透過する透過光の光合成有効放射度と７００ｎｍ〜１０００ｎｍの波長領域の赤外線放射度、あるいは、光合成光量子束密度と赤外線光量子束密度に関して次のような知見を得た。すなわち、ＰＡＲセンサ２のＰＡＲ出力（光合成有効放射度あるいは光合成光量子束密度）とＩＲセンサ３のＩＲ出力（赤外線放射度あるいは赤外線光量子束密度）の日照時間にわたって積算したそれぞれの積算値の比を算出すると、これは日積算値（あるいは平均することにより日中の平均値）を利用するものとなり、林床における放射強度比の時空間的変動要因が平均化され、天候への依存性がほとんどなくなってしまい、植生ごとにほぼ一定になる、という事実である。
In addition, the present inventor has obtained the following knowledge regarding the photosynthetic effective radiance of transmitted light passing through leaves or vegetation and infrared radiance in a wavelength region of 700 nm to 1000 nm, or photosynthetic photon flux density and infrared photon flux density. It was. That is, the ratio of each integrated value integrated over the sunshine time of the PAR output (photosynthesis effective radiance or photosynthesis photon flux density) of the
これには次のような理由が考えられる。光合成有効光量子束密度として測定されたのは光合成に利用したその葉または葉群に特有な放射束密度（光合成有効放射度）であり、７００ｎｍ〜１０００ｎｍで測定されたのもその葉または葉群の定まった所定領域の放射束密度（赤外線放射度）であるため、葉または葉群が決まればその比はこの植生林冠（キャノピー）にとって固有の値となって、ほぼ一定な値になるためと考えられる。その領域に存在する葉緑素がＰＡＲを吸収した分だけＩＲの割合が増え、この植生林冠がどれだけの割合で光合成有効放射（ＰＡＲ）を吸収するか、一義的に決まるからである。両者は絶対量であり、その比は太陽の高さなどにあまり依存することなく、林冠による光量子の反射・吸収率だけに依存する。植物のタイプや葉の形態、葉の重なり状態，天候（雲の量）によってこの比は若干変化するが、葉によるＩＲ／ＰＡＲ比の変化に対してノイズ成分としては十分に小さい。 The following reasons can be considered for this. The photosynthesis effective photon flux density was measured as the radiant flux density (photosynthesis effective radiance) peculiar to the leaf or leaf group used for photosynthesis, and the measured range from 700 nm to 1000 nm is also a predetermined region of the leaf or leaf group. This is because the ratio of the radiant flux (infrared irradiance) becomes a value that is unique to the vegetation canopy (canopy) and is almost constant when a leaf or leaf group is determined. This is because the proportion of IR increases by the amount of absorption of PAR by the chlorophyll present in the region, and how much the vegetative canopy absorbs photosynthetic effective radiation (PAR) is uniquely determined. Both are absolute quantities, and the ratio does not depend much on the height of the sun, but depends only on the reflection / absorption rate of photons by the canopy. Although this ratio varies slightly depending on the type of plant, leaf morphology, leaf overlap, and weather (cloud volume), it is sufficiently small as a noise component against the IR / PAR ratio change due to leaves.
図８，図９は、広域放射度比を波長領域７００ｎｍ〜１０００ｎｍの赤外線放射度または赤外線光量子束密度を示すＩＲ出力の積算値（これをＩＲと表記する）／波長領域４００ｎｍ〜７００ｎｍの光合成有効放射度または光合成光量子束密度を示すＰＡＲ出力の積算値（これをＰＡＲと表記する）としたとき、ｅを底としこの広域放射度比（ＩＲ／ＰＡＲ）またはその関数を真数とする自然対数、すなわち広域放射度比の対数ｌｎ（ＩＲ／ＰＡＲ）が、葉面積指数ＬＡＩと相関することを示す。図８は落葉広葉樹林における葉面積指数ＬＡＩと広域放射度比の対数ｌｎ（ＩＲ／ＰＡＲ）の相関関係、図９は広域放射度比の一次関数の対数ｌｎ｛（ＩＲ／ＰＡＲ）−０．６｝と葉面積指数ＬＡＩの相関関係を示す説明図である。 FIGS. 8 and 9 show IR output integrated values indicating the infrared radiance or infrared photon flux density in the wavelength region of 700 nm to 1000 nm (this is expressed as IR) / photosynthesis effective in the wavelength region of 400 nm to 700 nm. Natural logarithm where e is the base and this wide irradiance ratio (IR / PAR) or its function is a true number when the integrated value of the PAR output indicating the radiance or photosynthetic photon flux density (this is expressed as PAR) That is, the logarithm ln (IR / PAR) of the wide-area irradiance ratio correlates with the leaf area index LAI. FIG. 8 shows the correlation between the leaf area index LAI and the logarithm ln (IR / PAR) of the wide-area irradiance ratio in a deciduous broad-leaved forest, and FIG. 9 shows the logarithm ln {(IR / PAR) -0. 6} is an explanatory diagram showing the correlation between the leaf area index LAI.
図８のように葉面積指数ＬＡＩと広域放射度比（ＩＲ／ＰＡＲ）の対数ｌｎ（ＩＲ／ＰＡＲ）の関係はほぼ直線となる。図８によればＬＡＩ＝２．９２８５・ｌｎ（ＩＲ／ＰＡＲ）＋１．０９４２の関係式（１）で算出できる。言い換えれば、葉面積指数ＬＡＩは広域放射度比（ＩＲ／ＰＡＲ）を真数とする対数関数の一次関数として表される。なお、定数“２．９２８５”、“１．０９４２”は各植生でそれぞれ若干異なった値をもつ。図１のメモリ６の換算式６１に関係式（１）を登録して演算すればよい。このＬＡＩとｌｎ（ＩＲ／ＰＡＲ）の相関係数をＲとしたとき相関係数Ｒは０．９７５、寄与率Ｒ２は０．９５４１であって、ＬＡＩとｌｎ（ＩＲ／ＰＡＲ）間にはきわめて強い相関関係があることが分かる。従って、演算結果をこのまま正確な情報として利用することができる。葉量の季節変化などをとらえる場合にはこれをＬＡＩ情報として利用することができる。
As shown in FIG. 8, the relationship between the leaf area index LAI and the logarithm ln (IR / PAR) of the wide-area irradiance ratio (IR / PAR) is almost a straight line. According to FIG. 8, it can be calculated by the relational expression (1) of LAI = 2.9285 · ln (IR / PAR) +1.0942. In other words, the leaf area index LAI is expressed as a linear function of a logarithmic function with the wide area irradiance ratio (IR / PAR) as a true number. The constants “2.9285” and “1.0942” have slightly different values for each vegetation. The relational expression (1) may be registered in the
ところで、全天の場合に（光拡散板の上方に覆いがないとき）、葉面積指数ＬＡＩはＬＡＩ＝０であり、かつＩＲ／ＰＡＲがおおよそ０．８程度の値を示すため、図９で示すＬＡＩ＝１．９６３５・ｌｎ｛（ＩＲ／ＰＡＲ）−０．６｝＋２．８２７９なる関係式（２）に置き換えることもできる。すなわち、ＬＡＩは広域放射度比（ＩＲ／ＰＡＲ）の一次関数を真数とする対数関数の一次関数として表現される。図１のメモリ６の換算式６１に関係式（２）を登録して演算を行う。この定数“１．９６３５”、“２．８２７９”は植生によってそれぞれ異なった値をもつ。この関係を利用することでＬＡＩが小さい値をとる場合、（ＩＲ／ＰＡＲ）のばらつきによりＬＡＩがマイナスになったりする割合を減らせ、演算処理が容易になる。しかもこの式（２）による場合相関係数Ｒは０．９８５、寄与率Ｒ２は０．９７０３となり、上記関係式（１）より更に直線性を示し、強い相関関係が出現する。
By the way, in the case of the whole sky (when there is no cover above the light diffusing plate), the leaf area index LAI is LAI = 0 and IR / PAR shows a value of about 0.8. LAI = 1.9635 · ln {(IR / PAR) −0.6} +2.8279 can also be substituted as shown in LAI = 1.9635 · ln {(IR / PAR) −0.6}. That is, LAI is expressed as a linear function of a logarithmic function having a linear function of the wide-area irradiance ratio (IR / PAR) as a true number. The relational expression (2) is registered in the
なお、上述した関係式（１）（２）のＬＡＩと（ＩＲ／ＰＡＲ）の関係は、ある植生で得られた一例としての相関関係である。他の植生においても似た傾向が出現する可能性は高いが、ＬＡＩと（ＩＲ／ＰＡＲ）が常にこの関数（１）（２）で記述されるということではない。つまりＬＡＩは（ＩＲ／ＰＡＲ）を使って、例えば、上述した対数関数の一次以上の冪関数や、あるいは単純に（ＩＲ／ＰＡＲ）の冪関数などとして記述できる可能性がある。ＬＡＩと（ＩＲ／ＰＡＲ）の関係は（１）（２）に限定されない。 In addition, the relationship between LAI and (IR / PAR) in the relational expressions (1) and (2) described above is a correlation as an example obtained by a certain vegetation. Although it is likely that a similar tendency appears in other vegetation, LAI and (IR / PAR) are not always described by this function (1) (2). That is, there is a possibility that LAI can be described using (IR / PAR) as, for example, a first or higher power function of the above-described logarithmic function, or simply as a power function of (IR / PAR). The relationship between LAI and (IR / PAR) is not limited to (1) and (2).
以上説明した広域放射度比（ＩＲ／ＰＡＲ）の対数ｌｎ（ＩＲ／ＰＡＲ）と葉面積指数ＬＡＩの関係式（１），（２）を使えば対数ｌｎ（ＩＲ／ＰＡＲ）から葉面積指数へきわめて簡単かつ正確に換算することが可能なことが分かる。これにより演算結果を葉面積指数ＬＡＩの正確な情報として利用することができ、葉面積指数ＬＡＩの推定精度を飛躍的に向上させることができる。この広域放射度比（ＩＲ／ＰＡＲ）が本発明の比に相当するものである。この関係式（１）あるいは（２）で落葉広葉樹林のＬＡＩの季節変化を示すと図１０のようになる。図１０によれば季節の移り変わりにより春から夏にかけて葉が展開し、ＬＡＩは６．５程度まで増加するが、秋には紅葉、落葉し、ＬＡＩは０近くになることが分かる。 Using the relational expressions (1) and (2) between the logarithm ln (IR / PAR) of the wide-area irradiance ratio (IR / PAR) and the leaf area index LAI described above, the logarithm ln (IR / PAR) is converted into the leaf area index. It can be seen that it is very easy and accurate. Thereby, the calculation result can be used as accurate information of the leaf area index LAI, and the estimation accuracy of the leaf area index LAI can be greatly improved. This wide range of irradiance ratio (IR / PAR) corresponds to the ratio of the present invention. FIG. 10 shows the seasonal change in LAI of the deciduous broad-leaved forest by this relational expression (1) or (2). According to FIG. 10, it can be seen that leaves expand from spring to summer due to the change of seasons, and LAI increases to about 6.5, but autumn leaves and leaves fall, and LAI is close to zero.
ところで、実施例１の光学的葉面積指数センサ１は広域放射度比（ＩＲ／ＰＡＲ）を使った演算のほかに他の方式による演算をすることができる。既に上述したように、予め単位を揃えたＩＲ出力とＰＡＲ出力とを関係づける植生ごとの検量線をメモリ６に保存しておき、演算部５に例えば図示しない放射度推定手段を設け、この検量線とＰＡＲ出力、例えば光合成有効放射度を基に検量線で関係づけられたＩＲ出力、例えば赤外線放射度を求め、これらからＰＡＲ出力とＩＲ出力の積算値を計算し、更にこれらを基にＩＲ出力の積算値をＰＡＲ出力の積算値で割った広域放射度比に対応する葉面積指数を求めるのでもよい。
By the way, the optical leaf
また、光学的葉面積指数センサ１を使って従来と同様に植生内と植生外において透過光の同時測定を行うことによって植生の波長領域別放射吸収・透過量を求めることができる。また、同時測定した両測定値を比較することによって、葉量、幹枝量を推定することもできる。このために演算部５にこれらの演算回路を設けることができる。すなわち、林内と林外で測定した場合、葉がなければ（林内ＰＡＲ／林外ＰＡＲ）／（林内ＩＲ／林外ＩＲ）≒１となる。これに対し葉が存在すると、その量に応じて、（林内ＰＡＲ／林外ＰＡＲ）／（林内ＩＲ／林外ＩＲ）＜１となる。光学的葉面積指数センサ１で測定された林内ＰＡＲ、林外ＰＡＲ、林内ＩＲ、林外ＩＲの値によって、このパラメータα＝（林内ＰＡＲ／林外ＰＡＲ）／（林内ＩＲ／林外ＩＲ）を計算することによりαの関数であるＬＡＩを求めることができる。なお、ここで林内ＰＡＲ、林外ＰＡＲ、林内ＩＲ、林外ＩＲの何れもが積算値を示す。
In addition, by using the optical leaf
また、このαの中に含まれるパラメータβ＝（林内ＰＡＲ／林外ＰＡＲ）は（枝・幹＋葉）による植生全体の被陰率を示すから、これを比較することによって、葉量、幹枝量を推定できる。比演算手段５１以外にこのパラメータαやβによる演算を行う演算手段を設け、この演算手段によってＬＡＩや被陰率を推定すればよい。さらに、αの関数としてＬＡＩを演算する場合も、予めαと葉面積指数を関係づける検量線をメモリに保存しておき、この検量線と林内ＰＡＲ、林外ＰＡＲの出力の林内林外比から葉面積指数を求めることができる。 In addition, the parameter β = (inside forest PAR / outside forest PAR) included in this α indicates the shade ratio of the entire vegetation by (branches / stems + leaves). The amount can be estimated. In addition to the ratio calculation means 51, calculation means for performing calculation based on the parameters α and β may be provided, and the LAI and the shadow ratio may be estimated by the calculation means. Furthermore, when calculating LAI as a function of α, a calibration curve that associates α with the leaf area index is stored in the memory in advance, and the calibration curve is calculated from the forest-to-forest ratio of the PAR and PAR outputs. Leaf area index can be obtained.
以上説明したように本発明の実施例１によれば、４００ｎｍから７００ｎｍまでの光合成有効放射域放射センサと、７００ｎｍから１０００ｎｍまでの赤外線域放射センサを組み合わせて、地上から上方の植生林冠の量的、質的な情報である葉面積指数を測定することができる。 As described above, according to the first embodiment of the present invention, a combination of a photosynthetic effective radiation range radiation sensor from 400 nm to 700 nm and an infrared range radiation sensor from 700 nm to 1000 nm is combined to quantitatively measure the vegetation canopy above the ground. The leaf area index, which is qualitative information, can be measured.
また、Ｓｉホトダイオードを利用したブロードバンド測定を行って、４００ｎｍから１０００ｎｍを２分割してそれぞれで放射量を測定するので、放射量の比だけでなく、放射量の絶対値を得ることができ、森林内と新林外の同時測定を行うことによって植生の波長領域別放射吸収・透過量を求めることができる。絶対量であるため、森林内と森林外の測定値を比較することによって、葉量、幹枝量を推定することができる。 In addition, broadband measurements using Si photodiodes are performed, and the amount of radiation is measured in two parts from 400 nm to 1000 nm, so that not only the ratio of the amount of radiation but also the absolute value of the amount of radiation can be obtained. Radiation absorption / transmission of vegetation by wavelength range can be obtained by performing simultaneous measurements inside and outside the new forest. Since it is an absolute amount, the amount of leaves and the amount of trunk branches can be estimated by comparing the measured values inside and outside the forest.
光合成有効放射域放射センサと赤外線域放射センサのペアを用いて植生を構成する樹種に応じた検量線をあらかじめ作成する場合、検量線を利用することにより現場では赤外域放射センサを用いる必要がなく、あるいは現場に赤外域放射センサを設置することなく、葉面積指数を確定することができる。検量線のデータはあらかじめメモリに保存しておき、参照する。 When creating a calibration curve according to the species that make up the vegetation using a pair of photosynthetic effective radiation sensor and infrared radiation sensor in advance, it is not necessary to use an infrared radiation sensor in the field by using the calibration curve. Alternatively, the leaf area index can be determined without installing an infrared radiation sensor on site. The calibration curve data is stored in advance in a memory and referenced.
本発明の光学的植生指数センサは、入角特性を狭角に設定するのではなく、入角特性を広角に設定しているため、出力が大きく、高感度である。また、反射光ではなく、透過光を利用しているため、植生内での光の散乱、反射などの平均的な影響を含んだ植生全体の性質を反映する。 The optical vegetation index sensor of the present invention does not set the incident angle characteristic to a narrow angle, but sets the incident angle characteristic to a wide angle, so that the output is large and the sensitivity is high. In addition, since transmitted light is used instead of reflected light, it reflects the properties of the entire vegetation including average effects such as light scattering and reflection within the vegetation.
さらに、衛星観測データを利用して計算されるＮＡＤＩ（ＴＭ３バンド６３０ｎｍ〜６９０ｎｍ、ＴＭ４バンド７６０ｎｍ〜９００ｎｍ）の波長領域と良く対応するため、衛星リモートセンシングのグラウンドトゥルース（ground truth）用センサとして利用することができる。 Furthermore, since it corresponds well to the wavelength range of NADI (TM3 band 630nm to 690nm, TM4 band 760nm to 900nm) calculated using satellite observation data, it is used as a ground truth sensor for satellite remote sensing. be able to.
以下、本発明の実施例２における光学的植生指数センサについて説明をする。実施例２の光学的植生指数センサは光合成有効放射吸収率センサである。図１１は本発明の実施例２における光学的植生指数センサの全体の構成を示し、図１２は広域放射度比（ＩＲ／ＰＡＲ）と植生の光合成有効放射吸収率（ｆＡＰＡＲ）の関係を示す。実施例２の光合成有効放射吸収率センサ２０１は実施例１で求めたＬＡＩを使って演算を行うため、その構成は実施例１の光学的葉面積指数センサ１の構成と重複する。従って、以下実施例２においても図２〜図１０を参照することとし、実施例１の構成と実施例２の構成とで同一符号は同一の構成を示すものとし、この説明は実施例２では省略する。
Hereinafter, the optical vegetation index sensor according to the second embodiment of the present invention will be described. The optical vegetation index sensor of Example 2 is a photosynthetic effective radiation absorption rate sensor. FIG. 11 shows the overall configuration of the optical vegetation index sensor in Example 2 of the present invention, and FIG. 12 shows the relationship between the wide-range irradiance ratio (IR / PAR) and the photosynthetic effective radiation absorption rate (fAPAR) of vegetation. Since the photosynthetic effective radiation
光合成有効放射吸収率（ｆＡＰＡＲ）は、植生の光合成器官によって吸収された光合成有効放射（ＰＡＲ）の吸収前後の比率を示す指標値のことである。例えば、林冠上のＰＡＲが２０００μｍｏｌ／ｍ２／ｓで同時刻の林床のＰＡＲが５０μｍｏｌ／ｍ２／ｓであれば、ｆＡＰＡＲは０．９７５となる。 The photosynthetic effective radiation absorption rate (fAPAR) is an index value indicating the ratio of before and after absorption of photosynthetic effective radiation (PAR) absorbed by the photosynthetic organ of vegetation. For example, PAR in forest floor at the same time PAR on canopy in 2000μmol / m 2 / s is if 50μmol / m 2 / s, fAPAR becomes 0.975.
実施例１からも分かるように、本発明の光学的植生指数センサは、葉緑素がＰＡＲを吸収した分だけＩＲの割合が増えるという性質を利用するセンサである。従って、植生林冠が決まれば葉緑素の量が決まり、植生林冠ごとに光学的にどれだけの割合で光合成有効放射（ＰＡＲ）を吸収しているのか、ということが推定できる。そして、例えば地球温暖化の原因でもある二酸化炭素を吸収するグローバルな測定指標など、ｆＡＰＡＲの方が重要な指標になる場合がある。こうした理由から光合成有効放射吸収率（ｆＡＰＡＲ）を光学的に測定できる光合成有効放射吸収率センサ２０１が望まれている。
As can be seen from Example 1, the optical vegetation index sensor of the present invention is a sensor that utilizes the property that the proportion of IR increases by the amount of absorption of PAR by chlorophyll. Therefore, if the vegetation canopy is determined, the amount of chlorophyll is determined, and it can be estimated how much optically synthesized effective radiation (PAR) is absorbed by each vegetation canopy. In some cases, fAPAR becomes a more important index, such as a global measurement index that absorbs carbon dioxide, which is also the cause of global warming. For these reasons, a photosynthetic effective radiation
図１１に示すように光合成有効放射吸収率センサ２０１には、図１〜図３と同様のＰＡＲセンサ２、ＩＲセンサ３、演算部５、メモリ６が設けられる。これらの詳細構造は以下説明する所定の構成を除いて基本的に実施例１と同様のものである。その説明は実施例１に譲る。図１１に示すように演算部５には、ＬＡＩを算出する比演算手段５１、葉面積指数換算手段５２、積算手段５３の構成のほかに、光合成有効放射吸収率を計算するｆＡＰＡＲ算出手段５４が設けられている。また、メモリ６には、ＬＡＩを基にｆＡＰＡＲを算出するためのｆＡＰＡＲ換算式６３が登録されている。
As shown in FIG. 11, the photosynthetic effective radiation
図１２はＬＡＩのパラメータである（ＩＲ／ＰＡＲ）と光合成有効放射吸収率（ｆＡＰＡＲ）の相関関係を示す。両対数グラフにおいて両者は直線関係を示す。（１−ｆＡＰＡＲ）と（ＩＲ／ＰＡＲ）の相関係数Ｒは０．９８、寄与率Ｒ２は０．９６であって、ｆＡＰＡＲとｌｎ（ＩＲ／ＰＡＲ）間にはきわめて強い相関関係があることが分かる。例えばｋ１〜ｋ３を定数として両者の関数形を示すと、ｆＡＰＡＲ換算式６３（図１１参照）はｆＡＰＡＲ＝ｋ１・ｌｎ［ｋ２・ＬＡＩ］＋ｋ３などのような形で表現できる。ＬＡＩはｆＡＰＡＲを得るための指標となり得る。なお、これに関係する文献として、Monsi M，Saeki T，「 Uber den Lichtfaktor in den Pflanzengesellschaften und seine Bedeutung fur die Stoffproduktion」，Japanese Journal of Botany ,1953，vol.14，22-52などがある。 FIG. 12 shows the correlation between LAI parameters (IR / PAR) and photosynthetic effective radiation absorption rate (fAPAR). Both logarithmic graphs show a linear relationship. The correlation coefficient R between (1-fAPAR) and (IR / PAR) is 0.98, the contribution ratio R2 is 0.96, and there is a very strong correlation between fAPAR and ln (IR / PAR). I understand. For example, when k 1 to k 3 are constants and the function forms of both are shown, the fAPAR conversion formula 63 (see FIG. 11) can be expressed in a form such as fAPAR = k 1 · ln [k 2 · LAI] + k 3 . LAI can be an index for obtaining fAPAR. References related to this include Monsi M, Saeki T, “Uber den Lichtfaktor in den Pflanzengesellschaften und seine Bedeutung fur die Stoffproduktion”, Japanese Journal of Botany, 1953, vol.14, 22-52.
なお、ｆＡＰＡＲは植生上部で測定されたＰＡＲ量と林床で測定されたＰＡＲ量の比を１から引いたものであるから、ＰＡＲセンサ２を使って直接この２つのＰＡＲ量を測定し、比をとってこれを演算することができる。しかし、この直接測定を行うには、植生内外で同時に測定することが必要で、連続して安定した放射測定を行うことはより難しい。この点、実施例２の光合成有効放射吸収率センサ２０１はこの困難を解消する。
Since fAPAR is obtained by subtracting the ratio of the PAR amount measured at the top of the vegetation and the PAR amount measured on the forest floor from 1, the
そして、ｆＡＰＡＲ＝１−（林床でのＰＡＲ量）／（植生上部のＰＡＲ量）という関係があるから、この関係を利用すると、ある植生に対してｆＡＰＡＲとＰＡＲとの検量線を求めておけば、植生内でのＰＡＲを測定することにより、植生上部、すなわち植生外のＰＡＲを簡単に推定することができる。このため図１１において、予め単位を揃えたＩＲ出力とＰＡＲ出力とを関係づける植生ごとの検量線をメモリ６に保存しておき、演算部５に図示しない放射度推定手段を設け、この検量線とＰＡＲ出力（例えば光合成有効放射度）を基に検量線によって関係づけられたＩＲ出力（例えば赤外線放射度）を求め、これらからＰＡＲ出力とＩＲ出力の積算値を計算し、更にこれを基にＩＲ出力の積算値をＰＡＲ出力の積算値で割った広域放射度比に対応するｆＡＰＡＲを求める。これにより検量線を利用した光合成有効放射吸収率センサを得る。そして、さらにこのセンサのｆＡＰＡＲを基にすると、林外のＰＡＲを換算により推定することができる。そして、林外のＰＡＲが推定できれば、林内を測定しながら外界の日射の放射度を推定できる。すなわち、日射計の機能ももたせることができる。
Since there is a relationship of fAPAR = 1− (PAR amount on the forest floor) / (PAR amount on the top of the vegetation), using this relationship, a calibration curve of fAPAR and PAR can be obtained for a certain vegetation. For example, by measuring the PAR within the vegetation, it is possible to easily estimate the upper part of the vegetation, that is, the PAR outside the vegetation. Therefore, in FIG. 11, a calibration curve for each vegetation that associates the IR output and the PAR output, which are aligned in advance, is stored in the
このように実施例２によれば、林内で連続して安定した放射測定を行うことができ、植生内外での同時測定無しで、安価で小型、軽量で出力が大きく、ブロードバンドで光合成有効放射吸収率の測定が行える光合成有効放射吸収率センサを提供することができる。 As described above, according to the second embodiment, it is possible to perform continuous and stable radiation measurement in the forest, and without using simultaneous measurement inside and outside the vegetation. It is possible to provide a photosynthetic effective radiation absorption rate sensor capable of measuring the rate.
実施例２の光合成有効放射吸収率センサは、入角特性を広角に設定しているため出力が大きく、高感度である。また、反射光ではなく、透過光を利用しているため、植生内での光の散乱、反射などの平均的な影響を含んだ植生全体の性質を反映することができる。 The photosynthetic effective radiation absorption rate sensor of Example 2 has a large output and high sensitivity because the angle-of-incidence characteristic is set to a wide angle. In addition, since transmitted light is used instead of reflected light, the properties of the entire vegetation including average influences such as light scattering and reflection in the vegetation can be reflected.
本発明は光学的葉面積指数センサや光合成有効放射吸収率センサなどの広域放射度比（ＩＲ／ＰＡＲ）を用いた光学的植生指数センサに適用できる。 The present invention can be applied to an optical vegetation index sensor using a wide range of irradiance ratio (IR / PAR) such as an optical leaf area index sensor or a photosynthetic effective radiation absorption rate sensor.
１ 光学的葉面積指数センサ
２ 光合成有効放射域放射センサ（ＰＡＲセンサ）
３ 赤外線域放射センサ（ＩＲセンサ）
５ 演算部
６ メモリ
７ コンピュータ
１１，１２ 受光部
１３ ＵＶ／ＩＲカットフィルタ
１５ 青色拡張フィルタ
１８，１９ 筐体
２０，２１ 光拡散板
２９，３０ 基板
３１，３３ 埋め込みコネクタ
３２，３４ ケーブルコネクタ
４１，４２ 出力ケーブル
５１ 比演算手段
５２ 葉面積指数換算手段
５３ 積算手段
５４ ｆＡＰＡＲ算出手段
６１ 換算式
６２ 換算テーブル
６３ ｆＡＰＡＲ換算式
1 Optical leaf
3 Infrared radiation sensor (IR sensor)
DESCRIPTION OF
Claims (5)
受光した放射に対してバンドパスフィルタにより７００ｎｍ〜１０００ｎｍの赤外放射領域のみの放射を取出し、この放射を受光部で光電変換することによって前記ＰＡＲ出力と共通する単位の放射度または光量子束密度の何れかを示すＩＲ出力を出力できる第２放射センサと、
前記ＰＡＲ出力と前記ＩＲ出力を時間と共に積算し、前記ＩＲ出力の積算値を前記ＰＡＲ出力の積算値で割って比を算出し、該比に対応した葉面積指数を求める演算部を備えたことを特徴とする光学的植生指数センサ。 When the transmitted radiation transmitted through the leaf or the leaf group is received, the spectral characteristic for measuring the photon flux density is corrected by the correction filter for the radiation in the visible radiation region of 400 nm to 700 nm, and the corrected radiation is received by the light receiving unit. A first radiation sensor that outputs as a PAR output indicating either photosynthetic effective radiance or photosynthetic photon flux density by photoelectric conversion;
With respect to the received radiation, the radiation of only the infrared radiation region of 700 nm to 1000 nm is taken out by a band pass filter, and this radiation is photoelectrically converted by the light receiving unit, whereby the unit radiance or photon flux density in common with the PAR output is obtained. A second radiation sensor capable of outputting an IR output indicating either of them;
An arithmetic unit that integrates the PAR output and the IR output with time, calculates the ratio by dividing the integrated value of the IR output by the integrated value of the PAR output, and obtains a leaf area index corresponding to the ratio. An optical vegetation index sensor.
受光した放射に対してバンドパスフィルタにより７００ｎｍ〜１０００ｎｍの赤外放射領域のみの放射を取出し、この放射を受光部で光電変換することによって前記ＰＡＲ出力と共通する単位の放射度または光量子束密度の何れかを示すＩＲ出力を出力できる第２放射センサと、
前記ＰＡＲ出力と前記ＩＲ出力を時間と共に積算し、前記ＩＲ出力の積算値を前記ＰＡＲ出力の積算値で割って比を算出することにより該比に対応した光合成有効放射吸収率に換算する演算部を備えたことを特徴とする光学的植生指数センサ。 When the transmitted radiation transmitted through the leaf or the leaf group is received, the spectral characteristic for measuring the photon flux density is corrected by the correction filter for the radiation in the visible radiation region of 400 nm to 700 nm, and the corrected radiation is received by the light receiving unit. A first radiation sensor that outputs as a PAR output indicating either photosynthetic effective radiance or photosynthetic photon flux density by photoelectric conversion;
With respect to the received radiation, the radiation of only the infrared radiation region of 700 nm to 1000 nm is taken out by a band pass filter, and this radiation is photoelectrically converted by the light receiving unit, whereby the unit radiance or photon flux density in common with the PAR output is obtained. A second radiation sensor capable of outputting an IR output indicating either of them;
An arithmetic unit that integrates the PAR output and the IR output with time, and divides the integrated value of the IR output by the integrated value of the PAR output to calculate a ratio, thereby converting to a photosynthetic effective radiation absorption rate corresponding to the ratio An optical vegetation index sensor comprising:
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